光谱仪的光谱测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光谱测量技术领域，特别是涉及一种光谱仪的光谱测量方法。
【背景技术】
[0002] 传统衰荡吸收光谱仪（Cavity Ringdown Spectroscopy，CRDS)，以下简称 CRDS 光 谱仪和腔增强吸收光谱仪（Cavity Enhanced Spectroscopy，CEAS)以下简称CEAS光谱仪 的关键部件为由高反射率镜片组成的光学谐振腔，组成所述CRDS光谱仪和CEAS光谱仪的 谐振腔的长度一般都在Im以内，典型的长30 cm至70 cm。因此，要在如此短的吸收池内 提尚探测灵敏度往往从提尚镜片的反射率入手。
[0003] 相应的，现有技术中，客观存在的事实是：提尚镜片的反射率会受到诸多限制；例 如：首先，在紫外和红外波段镀膜困难，限制了该技术在紫外和红外波段的应用；其次，在 一个较宽的光学频段很难同时获得高的反射率，限制了该技术的多组分同时探测的能力； 最后，由于镜片上的膜层会受环境中水分等的影响，镜片反射率随着使用会下降，导致探测 灵敏度下降，甚至导致测量结果不准确。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供一种光谱仪的光谱测量方法，在所述光谱仪中采 用了一种基于棱镜的光学谐振腔。所述光学谐振腔由至少两个棱镜所组成，所述光信号起 偏为P偏振态的偏振光信号，以偏离布儒斯特角度^设入射进光学谐振腔；所述偏离布儒斯 特角Jii的取值范围为0. 01度到10度之间。基于棱镜的光学谐振腔可有效克服高反射率镜 片需要镀膜问题所带来的一系列技术缺陷。此外，本发明的提供一种光谱仪的光谱测量方 法及系统还能够实现光程在线标定、去除光学谐振腔的光学噪声、并通过所述光学谐振腔 的姿态调整功能和腔长扫描等功能，满足对样品进行长时间连续准确实时监测的要求。
[0005] 相应的，本发明的一种光谱仪的光谱测量方法，所述方法包括以下步骤：接收由光 源发出的光信号； 采用光学耦合装置接收由光源发出的光信号； 采集光学谐振腔输出的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收 光谱线； 依据上述获取的所述吸收光谱线，通过数据处理得到所述样品的吸收谱图和样品浓度 信息。
[0006] 作为本发明的进一步改进，所述光学谐振腔由一组棱镜组成，所述光信号起偏为P 偏振态的偏振光信号，以偏离布儒斯特角度#入射进光学谐振腔。
[0007] 所述偏离布儒斯特角的取值范围为0. 01度到10度之间。
[0008] 作为本发明的进一步改进，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CRDS光谱仪， 所述光信号为激光； 所述"采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的 吸收光谱线"具体包括： 离散的改变激光输出波长； 当所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所 述光学谐振腔内入射； 对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，以使所述光信号的强度迅速衰减； 采集衰减后的所述激光信号； 将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间t和τ。； 通过衰荡时间t和τ。计算出所述样品对波长的吸收率α ;
?是所述样品的吸收率，τ。是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，τ是存在样品时的 衰荡时间，c是光速，^是所述棱镜之间的距离，η是所述棱镜的折射率，δ Θ是入射光偏 离布儒斯特角的大小。
[0009] 作为本发明的进一步改进，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的宽带CRDS光 谱仪，所述光信号为宽带可调谐激光光源； 所述"采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的 吸收光谱线"具体包括： 离散的改变激光输出波长； 当所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所 述光学谐振腔内入射； 对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，以使所述光信号的强度迅速衰减； 采集衰减后的所述激光信号； 将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间t和τ。； 通过衰荡时间t和τ。计算出所述样品对波长的吸收率α ;
#:是所述样品的吸收率，τ。是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，τ是存在样品时的 衰荡时间，c是光速，^是所述棱镜之间的距离，η是所述棱镜的折射率，δ Θ是入射光偏 离布儒斯特角的大小。
[0010] 作为本发明的进一步改进，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CEAS光谱仪， 所述光信号为激光； 所述"采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的 吸收光谱线"具体包括： 离散的改变激光输出波长； 当空腔时，所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信 号向所述光学谐振腔内入射； 将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间τ。； U采集存在所述样品时，所述光学谐振腔持续输出的光强信号I ; 利用光学谐振腔的等效反射率R、衰荡时间t。或者空腔时的等效池长L rff，计算出所述 样品对波长的吸收率α ;
作为本发明的进一步改进，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的宽带CEAS光谱仪， 所述光信号为宽带光源； 所述"采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的 吸收光谱线"具体包括： 获取波长为λ i的光的光强；当空腔时，所述光学谐振腔输出的波长为λ i的光的光强 达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射； 将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间τ。； 采集光学谐振腔为空时的宽带光源信号U 采集存在样品时，所述光学谐振腔持续输出的光强信号I ; 利用光学谐振腔的等效反射率R、衰荡时间t。或者空腔时的等效池长L rff，计算出所述 样品对波长的吸收率α ;
λ i是光谱上的任一波长点，imo是光频率为处所述样品的吸收率，τ。是所述光学 谐振腔为空时衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离，η是所述棱镜的折射率， δ Θ是入射光偏离布儒斯特角的大小； 所述宽带CEAS光谱仪用于采集宽带光信号的光谱信息，所述宽带CEAS光谱仪包括：分 光光谱仪、滤光片光谱仪、阿达玛变换光谱仪、傅里叶变换光谱仪、非色散光谱仪中的一种。
[0011] 作为本发明的进一步改进，所述方法还还包括以下步骤： 向所述光学谐振腔发送高频信号，快速改变所述光学谐振腔的腔长，以去除所述光学 谐振腔的光学噪声。
[0012] 作为本发明的进一步改进，所述方法还包括以下步骤： 监测所述光学谐振腔为空时的衰荡时间，并将其和所述光学谐振腔的理论衰荡时间对 比，判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰 荡时间或预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比， 若是，判断所述光学谐振腔失调，同时，捕获失调信号，调整所述光学谐振腔； 若否，继续下一步骤。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述"若是，判断所述光学谐振腔失调，同时，捕获失调 信号，调整所述光学谐振腔"具体包括： 通过至少一块所述棱镜上的至少一块PZT改变所述光学谐振腔的在X方向、y方向、Z 方向中至少其中一个方向的参数，以及改变角度参数，进而调整所述光学谐振腔的姿态； 判断调整后实际测量的所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论 衰荡时间或预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比； 若是，发出故障告警，待解决故障后，再继续下一步骤； 若否，判断系统正常运行。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述样品为气体或液体； 所述光学谐振腔中还包括：光声池或液体器皿中的至少一种； 所用光源包括激光光源、宽带光源中的至少一种。
[0015] 与现有技术相比，本发明的光谱仪的光谱测量方法在高精测灵敏度的基础上，还 具有更宽的光谱探测能力，能够实现光程的在线标定、去除所述光学谐振腔的光学噪声、同 时具有腔镜姿态调整功能或腔长扫描功能，可以实现多组分的高灵敏度同时探测功能，满 足对样品进行长时间连续准确实时监测的目的，进一步的，当所述光谱仪为CEAS光谱仪 时，无需对所述光学谐振腔的腔长进行扫描，简化了装置，极大拓宽了 CEAS光谱仪的技术 应用。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明实施方式提供的光谱仪的光谱测量方法流程图； 图2是图1中步骤S3的第一、二实施方式的流程示意图； 图3是图1中步骤S3的第三实施方式的流程示意图； 图4是图1中步骤S3的第四实施方式的流程示意图； 图5是本发明实施方式提供的光谱仪的光谱测量系统的模块示意图； 图6是本发明实施方式中所述光学谐振腔的结构示意图； 图7是本发明实施方式中所述光学谐振腔的调整姿态的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 以下将结合附图所示的实施方式对本发明进行详细描述。但实施方式并不限制本 发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包 含在本发明的保护范围内。
[0018] 如图1所示，图1是本发明实施方式提供的光谱仪的光谱测量方法流程图； 相应的，在本发明的第一实施方式中，所述光谱仪的光谱测量方法是通过基于激光光 源的CRDS光谱仪实现的，所述方法包括以下步骤： S1、接收由光源发出的光信号； 本实施方式中，采用光学耦合装置接收由光源发出的光信号。
[0019] 所述光源根据探测技术和使用要求的不同可以有不同的形式，包括但不限于激光 光源、宽带光源，以及它们的任意组合等。在本发明的第一实施方式中，选定所述光源为激 光光源。
[0020] S2、将所述光信号耦合入射到光学谐